DE102019206365A1

DE102019206365A1 - Verfahren zum frühzeitigen Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle einer Batterie, Detektionseinrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019206365A1
Application number: DE102019206365.9A
Authority: DE
Inventors: Markus GÖBEL; Dominik Gottlieb
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05
Also published as: CN111883859A; US11456494B2; US20200350642A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle (14) einer Batterie (10), vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, wobei die bevorstehende Überhitzung in Abhängigkeit von mindestens einer ermittelten, die zumindest eine Batteriezelle (14) betreffenden ersten Größe detektiert wird. Dabei wird als die mindestens eine erste Größe ein zeitlicher Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) einer in einer vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) erfassten Temperatur (Ti) und/oder eine Spannung (Ui) der zumindest einen Batteriezelle (14) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle einer Batterie, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, wobei die bevorstehende Überhitzung in Abhängigkeit von mindestens einer ermittelten, die zumindest eine Batteriezelle betreffenden ersten Größe detektiert wird. Zur Erfindung gehören auch eine Detektionseinrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Detektionseinrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind im Allgemeinen Verfahren zum Überwachen von elektrischen Energiespeichern, insbesondere Kraftfahrzeugbatterien, bekannt. Gerade im Zusammenhang mit Hochvolt-Batterien ist eine solche Überwachung besonders sicherheitsrelevant. Durch eine solche Überwachung lassen sich zum Beispiel Beschädigungen durch Überhitzung oder Tiefentladung oder dergleichen vermeiden, da frühzeitig Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein Abschalten des Batteriesystems, erfolgen können. Typische Überwachungsgrößen stellen zum Beispiel die Klemmenspannungen von Batteriezellen oder auch die Zelltemperaturen von Batteriezellen dar. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2010 045 514 B4 ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, gemäß welchem der Ausfall eines Spannungssensors die Klemmenspannung als Differenz zwischen einer Gesamtklemmenspannung und den erfassten Klemmenspannungen der übrigen Zellen abgeschätzt wird, sowie auf Basis einer vor dem Ausfall des Spannungssensors zuletzt gemessenen Klemmenspannung der betreffenden Batteriezelle ein Korrekturfaktor ermittelt und berücksichtigt werden kann.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2012 205 396 A1 ein Verfahren zum Ladungsausgleich der Ladungen zwischen verschiedenen Batteriezellen, wobei der Ladungsausgleich derart erfolgt, dass die beim Ladungsausgleich erzeugte Wärme nach Möglichkeit räumlich und zeitlich so verteilt ist, dass es zu keiner lokalen Überhitzung und zu keiner Schädigung von Bauteilen der Batterie kommen kann.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2017 103 730 A1 eine Schaltung und ein Verfahren zur Detektion von Batterieverschlechterungsereignissen, gemäß welchem ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn bei einem Entladen einer Batteriezelle öfters als eine vorbestimmte Anzahl von Malen über eine vordefinierte Dauer eine Spannungsänderungsrate einen Schwellwert überschreitet.
Gerade aber das Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung, wie dies vor allem Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, spielt im Zusammenhang mit Hochvolt-Batterien eine besonders große Rolle. In Hochvolt-Batteriesystemen können Fehler, wie zum Beispiel zellinterne Kurzschlüsse, zu abnormer Eigenerwärmung von Zellen führen. Wenn sich konstruktionsbedingt dieser Temperaturanstieg durch Wärmeleitung auf andere Zellen des Batteriesystems überträgt, kann der Temperaturanstieg der benachbarten Zellen zu einem Zelldefekt dieser Zellen führen, wodurch diese wiederum eine Eigenerwärmung erfährt. Es kommt zu einer Kettenreaktion, einer sogenannten „Thermal Propagation“, und zur Gefahr von Rauch- und sogar Brand-Entwicklung. Um dies zu vermeiden oder zumindest möglichst frühzeitig eine entsprechende Warnung ausgeben zu können, ist es besonders wichtig, den Beginn einer solchen Ausbreitung einer Überhitzung möglichst frühzeitig zu erkennen, und entsprechende Maßnahmen, wie das Ausgeben einer Warnung, oder auch das Abschalten des Batteriesystems, einzuleiten. Entsprechend wird bei den bekannten Systemen auch die Temperatur der Batterie beziehungsweise der Batteriezellen überwacht, und bei Annäherung oder Überschreitung einer vorbestimmten kritischen Temperatur eine Maßnahme eingeleitet.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2017 009 131 A1 ein Verfahren zum Überwachen einer Temperatur einer Hochvolt-Batterie, wobei sowohl in einem aktiven Betriebszustand als auch in einem inaktiven Betriebszustand eine Temperaturüberwachung vorgenommen werden kann und bei Überschreiten eines vorbestimmten Temperaturschwellwerts ein Steuersignal für eine Warneinrichtung der Hochvolt-Batterie erzeugt werden kann.
Zur Temperaturüberwachung lassen sich zudem verschiedene Sensoren, beispielsweise auch Infrarotsensoren, wie zum Beispiel in der EP 2 736 100 B1 und in der DE 10 2005 058 315 A1 beschrieben, verwenden, sowie beispielsweise auch in einzelne Batteriezellen integrierte Sensoren unter Verwendung eines thermochromen Materials, wie zum Beispiel in der DE 10 2016 222 002 A1 beschrieben.
Bei den üblichen Verfahren zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung wird eine solche Überhitzung erst dann detektiert beziehungsweise entsprechende Maßnahmen eingeleitet, wenn zum Beispiel ein vorbestimmter kritischer Temperaturgrenzwert überschritten wird. Um eine noch frühzeitigere Detektion einer solchen bevorstehenden Überhitzung zu ermöglichen, müsste dieser kritische Temperaturgrenzwert entsprechend herabgesetzt werden. Dies ist jedoch nur in den wenigstens Situationen überhaupt möglich, da auch bestimmte Betriebsbedingungen der Batterie, wie zum Beispiel beim Schnellladen oder bei hohen Leistungsanforderungen während der Fahrt, zu hohen Zelltemperaturen beziehungsweise Batterietemperaturen führen können, die jedoch keinen Beginn einer Ausbreitung einer Überhitzung in der Batterie darstellen und entsprechend bei herabgesetztem Schwellwert für die kritische Temperatur zu einer Fehlauslösung führen würden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle einer Batterie, eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst frühzeitigere Detektion einer bevorstehenden, möglichen Überhitzung zumindest einer Batteriezelle erlauben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, durch eine Detektionseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen den jeweils unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle einer Batterie für ein Kraftfahrzeug wird die bevorstehende Überhitzung in Abhängigkeit von mindestens einer ermittelten, die zumindest eine Batteriezelle betreffenden ersten Größe detektiert. Dabei wird als die mindestens eine erste Größe ein zeitlicher Temperaturgradient einer in einer vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle erfassten Temperatur und/oder eine Spannung der zumindest einen Batteriezelle ermittelt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich ein Beginn einer Ausbreitung einer Überhitzung der zumindest einen Batteriezelle in der korrespondierenden Zellspannung, sowie auch im Temperaturgradienten deutlich früher bemerkbar machen kann, als durch das Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur. Durch die Betrachtung einer solchen Zellspannung beziehungsweise eines solchen Temperaturgradienten kann damit vorteilhafterweise eine bevorstehende Überhitzung einer Batteriezelle erkannt werden, noch bevor die erfasste absolute Temperatur betreffend die zumindest eine Batteriezelle als solches sich einem kritischen Temperaturgrenzwert nähert oder einen solchen überschreitet. Somit lässt sich durch die Ermittlung des zeitlichen Temperaturgradienten und/oder der Spannung der zumindest einen Batteriezelle eine deutlich frühzeitigere Detektion einer bevorstehenden möglichen Überhitzung der zumindest einen Batteriezelle der Batterie bereitstellen. Dies hat wiederum den großen Vorteil, dass die Dauer zwischen der Benutzerwarnung und der Systemabschaltung länger bemessen werden kann, wodurch ein Fahrer des Kraftfahrzeugs mehr Zeit hat, gegebenenfalls einen Parkplatz anzusteuern oder sein Kraftfahrzeug anderweitig an einer sicheren Stelle abzustellen. Da diese Vorwarnzeit zwischen der Benutzerwarnung und einer möglichen Gefährdung entsprechend länger ist, kann die Sicherheit erhöht werden, da mehr Zeit vorhanden ist, um das Fahrzeug sicher zu verlassen.
Die Batterie, insbesondere für das Kraftfahrzeug, stellt vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie dar. Diese Batterie kann darüber hinaus mehrere Batteriemodule aufweisen, wobei ein jeweiliges Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle umfasst, vorzugsweise jedoch mehrere solcher Batteriezellen aufweist. Eine solche Batteriezelle kann des Weiteren zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Im Allgemeinen kann es sich bei der Batterie, welche die zumindest eine Batteriezelle, deren bevorstehende Überhitzung auf Basis eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines seiner Ausgestaltungen detektiert werden kann, aber auch um eine nicht in einem Kraftfahrzeug verbaute Batterie, und auch um eine nicht für den Gebrauch in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Batterie handeln, wie zum Beispiel einen stationären Energiespeicher, einen Energiespeicher für eine Photovoltaik-Anlage, oder Ähnliches. Auch im Zusammenhang mit einer solchen Batterie kann durch die Erfindung ganz analog eine bevorstehende mögliche Überhitzung detektiert werden und es kann entsprechend eine frühzeitige Warnung an einen Benutzer oder Ähnliches ausgegeben werden.
Unter der Detektion einer bevorstehenden Überhitzung kann dabei insbesondere die Erkennung eines Beginns einer Ausbreitung einer Überhitzung in der Batterie, insbesondere der zumindest einen Batteriezelle, verstanden werden. Dabei soll der Begriff „bevorstehende Überhitzung“ nicht so verstanden werden, dass es unweigerlich zu einer solchen Überhitzung kommen muss, sondern vielmehr so, dass es wahrscheinlich zu einer solchen Überhitzung, das heißt dem Überschreiten einer vorbestimmten kritischen Temperatur, durch zumindest eine der Batteriezellen der Batterie kommen würde, zumindest wenn keinerlei Gegenmaßnahmen eingeleitet werden würden. Es ist jedoch denkbar, dass basierend auf der Detektion einer solchen bevorstehenden, möglichen oder wahrscheinlichen, Überhitzung eine solche Maßnahme eingeleitet werden kann, die dafür sorgen kann, dass es nicht zu einer solchen Überhitzung kommt. Eine solche Maßnahme kann zum Beispiel eine Reduktion einer Leistung des Batteriesystems beziehungsweise der Batterie darstellen, die Ausgabe einer Warnmeldung, insbesondere auch zum Hinweisen eines Fahrers auf eine solche Leistungsreduktion oder das Anzeigen einer Fehlermeldung, das Abschalten der Batterie und/oder das Eintragen einer entsprechenden Diagnose in einem Batteriesteuergerät.
Gegenmaßnahmen, wie zum Beispiel das Auslösen eines Löschsystems oder Ähnliches, müssen aber nicht notwendigerweise vorgesehen sein. Auch kann eine detektierte bevorstehende Überhitzung selbst durch solche Gegenmaßnahmen nicht immer verhindert werden. Die Erfindung ermöglicht es jedoch vorteilhafterweise durch die frühzeitige Detektionsmöglichkeit einer solchen bevorstehenden Überhitzung, dass zumindest eine rechtzeitige Warnung an einen Fahrer oder Insassen des Kraftfahrzeugs ausgegeben werden kann, um zum Beispiel rechtzeitig das Kraftfahrzeug zu verlassen, so dass es nicht zu einer Gefährdung der Insassen kommen kann.
Zur Ermittlung der mindestens einen ersten Größe kann zudem mindestens ein Sensor verwendet werden, insbesondere ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle, sowie ein Spannungssensor zur Erfassung der Spannung der zumindest einen Batteriezelle. Der zeitliche Temperaturgradient lässt sich dann auf einfache Weise auf Basis von zeitlich nacheinander erfassten Temperaturwerten ermitteln. Der Temperaturgradient, insbesondere der zeitliche Temperaturgradient, stellt dabei insbesondere die Änderung der Temperatur in einem vorbestimmten Zeitintervall dar. Unter dem Temperaturgradienten kann darüber hinaus auch ein mittelwertbereinigter Temperaturgradient verstanden werden, wie dies später näher beschrieben ist.
Des Weiteren kann unter der in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle erfassten Temperatur diejenige Temperatur verstanden werden, die am Ort eines in dieser vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle angeordneten Temperatursensors erfasst wird. Mit anderen Worten kann es sich bei der Temperatur und den von einem solchen Temperatursensor direkt und unmittelbar erfassten Temperaturwert handeln. Unter der in der vorbestimmten Nähe zur mindestens einen Batteriezelle erfassten Temperatur kann es sich aber auch um einen Temperaturwert handeln, der auf Basis der mittels eines oder auch mehrerer in der Nähe der zumindest einen Batteriezelle angeordneter Temperatursensoren erfassten Temperaturmesswerte für einen vom Ort dieser Temperatursensoren verschiedenen Ort, der der zumindest einen Batteriezelle näher gelegen sein kann als die jeweiligen Positionen der Temperatursensoren, oder sich sogar innerhalb der Batteriezelle befinden kann, berechnet wird bzw. wurde. Mit anderen Worten kann auch die Temperatur der Batteriezelle selbst auf Basis von Temperaturmesswerten berechnet werden, die von Temperatursensoren in der Nähe dieser Batteriezelle erfasst wurden, und gegebenenfalls auf Basis einer bestimmten Vorschrift, wie zum Beispiel eines Zellmodells oder Ähnliches. Diese errechnete Zelltemperatur, die sich von den mittels der Temperatursensoren direkt erfassten Temperaturwerte unterscheiden kann, kann dann ebenfalls die oben genannte in der vorbestimmten Nähe zur mindestens eine Batteriezelle erfasste Temperatur darstellen.
Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die oben genannten Größen, nämlich der zeitliche Temperaturgradient und/oder die Spannung, zusätzlich zur herkömmlichen Betrachtung der Temperatur als Überwachungsgröße herangezogen werden. Entsprechend stellt es eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die bevorstehende Überhitzung zusätzlich in Abhängigkeit der in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle erfassten Temperatur als eine von der erster Größe verschiedene, die zumindest eine Batteriezelle betreffende zweite Größe detektiert wird. Um also eine solche mögliche bevorstehende Überhitzung frühzeitig erkennen zu können, ist es besonders vorteilhaft, zum einen die Temperatur in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle an sich zu betrachten und zu überwachen, sowie auch den Temperaturgradienten an dieser Stelle und/oder die Spannung der zumindest einen Batteriezelle. Durch Zusammenschau all dieser Überwachungsgrößen lässt sich eine besonders zuverlässige und auch frühzeitige Detektion einer solchen bevorstehenden möglichen Überhitzung bereitstellen.
Die betreffenden Größen können dann zum Beispiel mit entsprechenden Grenzwerten verglichen werden. Daher stellt es zum Beispiel eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn als die mindestens eine erste Größe die Spannung nur der einzelnen Batteriezelle ermittelt wird und mit zumindest einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert verglichen wird, wobei die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, wenn zumindest die Bedingung erfüllt ist, dass die ermittelte Spannung den zumindest einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert überschreitet und/oder unterschreitet. Anhand des Vergleichs der ermittelten Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsgrenzwert kann vorteilhafterweise eine Spannungsanomalie detektiert werden, die auf ein abnormes Verhalten der betreffenden zumindest einen Batteriezelle hinweisen kann, die eine eventuelle Überhitzung dieser Batteriezelle zur Folge haben kann. Dadurch kann durch Vergleich dieser ermittelten Spannung mit einem solchen Spannungsgrenzwert vorteilhafterweise ebenfalls eine besonders frühzeitige Detektion einer solchen bevorstehenden Überhitzung bereitgestellt werden. Gerade die Betrachtung von Batterieeinzelzellspannungen ist dabei von großem Vorteil, da sich die eingangs beschriebene Kettenreaktion, nämlich die sogenannte „Thermal Propagation“, zu Beginn nicht gleichzeitig bei allen Batteriezellen äußert, sondern in der Regel zunächst bei einer Batteriezelle beginnt, zum Beispiel aufgrund eines Defekts dieser Zelle oder Kurzschlusses oder ähnlichem, und sich erst dann von Zelle zu Zelle ausbreitet. Der Beginn einer solchen Ausbreitung lässt sich damit vor allem auf Basis des Unterschieds des Werts der ermittelten ersten Größe für eine betreffende Batteriezelle im Vergleich zu dem Wert dieser Größe für die anderen Batteriezellen erkennen. Mit anderen Worten schlägt sich der Beginn der Ausbreitung einer solchen Überhitzung deutlich signifikanter in einer einzelnen Zellspannung nieder, nämlich in der Zellspannung derjenigen Batteriezelle, die diese Ausbreitung verursacht, als in der Betrachtung einer Gesamtzellspannung eines Zellverbunds aus mehreren solchen Batteriezelle, wie zum Beispiel der Gesamtspannung der Batterie.
Entsprechend ist eine Betrachtung einer solchen Einzelzellspannung gerade dann von Vorteil, wenn die Batteriezelle nicht parallel zu zumindest einer weiteren Batteriezelle der Batterie geschaltet ist. Denn dann lässt sich nämlich die Zellspannung dieser einzelnen Batteriezelle auch erfassen, und zwar auf einfache Weise unabhängig von der durch andere Batteriezellen bereitgestellten Zellspannungen. Nichtsdestoweniger wäre es auch denkbar, zur Erfassung der Einzelzellspannung eine Batteriezelle, welche sich mit anderen Batteriezellen in einer Parallelschaltung befindet, diesen Parallelverbund temporär zur Vermessung der einzelnen Batteriezelle aufzutrennen und somit die Einzelzellspannung unabhängig von den anderen Batteriezellen im Parallelverbund zu ermitteln. Eine Auftrennung des Parallelverbunds kann beispielsweise durch Schalter, wie MOSFETs, erfolgen.
Des Weiteren lässt sich eine Anomalie der Einzelzellspannung sowohl erkennen, wenn diese Spannung einen Spannungsgrenzwert unterschreitet, sowie auch gegebenenfalls einen weiteren Spannungsgrenzwert überschreitet. Mit anderen Worten kann das Unterschreiten eines Spannungsgrenzwerts sowie in gleicher Weise auch das Überschreiten eines weiteren Spannungsgrenzwerts, der größer ist als der erstgenannte Spannungsgrenzwert, auf einen Fehler hindeuten, der Ursache für die Ausbreitung einer Überhitzung in der Batterie darstellen kann. Entsprechend können für die betreffende Spannung auch zwei Spannungsgrenzwerte festgelegt werden, ein unterer Spannungsgrenzwert sowie ein oberer Spannungsgrenzwert, wobei der untere Spannungsgrenzwert unterhalb einer definierten Normalspannung der Batteriezelle liegt, und der obere Spannungsgrenzwert oberhalb dieser Normalspannung. Diese Grenzwerte können beispielsweise als prozentualer Anteil bezogen auf die Normalspannung dieser einzelnen Batteriezelle angegeben sein. Eine Unterspannung der Batteriezelle, das heißt zum Beispiel das Unterschreiten des unteren Spannungsgrenzwerts durch die Zellspannung, kann zum Beispiel auf einen möglichen zellinternen Kurzschluss hindeuten, der eine oben beschriebene Überhitzung verursachen kann. In gleicher Weise kann auch ein Überladen einer einzelnen Batteriezelle, was durch eine Überspannung dieser Batteriezelle, das heißt ein Überschreiten eines oberen Spannungsgrenzwerts durch die ermittelte Zellspannung, festgestellt werden kann, eine solche Überhitzung verursachen. Folglich ist es besonders vorteilhaft, die ermittelte Spannung der zumindest einen Batteriezelle sowohl im Hinblick auf das Überschreiten eines oberen Grenzwerts als auch auf das Unterschreiten eines unteren Grenzwerts hin zu überwachen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als die mindestens eine erste Größe der zeitliche Temperaturgradient ermittelt und mit zumindest einem vorgegebenen Gradientengrenzwert verglichen, wobei die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, wenn zumindest die Bedingung erfüllt ist, dass der ermittelte Temperaturgradient den zumindest einen vorgegebenen Gradientengrenzwert überschreitet. Erhöht sich innerhalb kurzer Zeit die zumindest eine Batteriezelle betreffend der Temperatur sehr stark, insbesondere übermäßig stark, was anhand des Vergleichs des ermittelten Temperaturgradienten mit dem vorgegebenen Gradientengrenzwert festgestellt werden kann, so lässt dies ebenfalls auf den Beginn einer Ausbreitung einer Überhitzung schließen. Treten innerhalb der Batterie zum Beispiel üblicherweise zeitliche Temperaturgradienten im Bereich von 2 Grad Celsius pro Minute auf, und wird dann an einer Position beispielsweise ein zeitlicher Temperaturgradient von zwischen 10 Grad Celsius und 15 Grad Celsius pro Minute festgestellt, so ist dies ein deutliches Anzeichen dafür, dass eine Überhitzung der zumindest einen Batteriezelle bevorsteht. Insbesondere kann es unter Umständen zu solch starken Temperaturanstiegen, das heißt so großen zeitlichen Temperaturgradienten, kommen, die zu einer Überhitzung führen würden, selbst wenn sich die absolute Temperatur der zumindest einen Batteriezelle beziehungsweise in vorbestimmter Nähe zur zumindest einen Batteriezelle noch nicht einmal annäherungsweise in einem kritischen Temperaturbereich befindet und/oder sich nicht signifikant von der Temperatur in vorbestimmter Nähe zu anderen Batteriezellen unterscheidet. Der ermittelte Temperaturgradient muss entsprechend auch nicht notwendigerweise mit einem vorgegebenen, zum Beispiel vorab festgelegten, Gradientengrenzwert verglichen werden, sondern kann beispielsweise auch mit an anderen Positionen innerhalb der Batterie vorherrschenden Temperaturgradienten verglichen werden, um so lokale Anomalien frühzeitig zu detektieren, wie dies später im Detail erläutert wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der vorgegebene Gradientengrenzwert in Abhängigkeit von der aktuellen in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle erfassten Temperatur bestimmt und vorgegeben. Mit anderen Worten kann der Gradientengrenzwert selbst wiederum von der absoluten in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle aktuell vorherrschenden Temperatur gewählt werden. Je höher diese Temperatur ist, desto kleiner kann beispielsweise der Gradientengrenzwert festgelegt werden und umgekehrt, das heißt je kleiner die absolute Temperatur in der Nähe der zumindest einen Batteriezelle ist, desto höher kann der betreffende Gradientengrenzwert für den Temperaturgradienten vorgegeben werden. Mit anderen Worten kann eine bevorstehende mögliche Erhitzung einerseits dann als detektiert gelten, wenn bei relativ hoher Temperatur ein noch relativ geringer Temperaturgradient vorliegt, sowie andererseits, wenn bei noch relativ niedriger Temperatur ein relativ großer zeitlicher Temperaturgradient im Sinne eines Temperaturanstiegs festgestellt wird. Beide Situationen können zu einer Überhitzung innerhalb einer näherungsweise gleichen Zeitspanne führen. Die Betrachtung sowohl der absoluten Temperatur als auch des Temperaturgradienten und der Wahl eines angepassten Gradientengrenzwerts in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur ermöglicht damit in verschiedensten Situationen eine besonders situationsangepasste frühzeitige Erkennung einer möglichen Überhitzung.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein kritischer Temperaturgrenzwert, zum Beispiel zwischen 110 Grad Celsius und 140 Grad Celsius, vorgegeben, wobei weiterhin ein Zeitdauer-Grenzwert vorgegeben ist und wobei in Abhängigkeit von dem ermittelten Temperaturgradienten und der ermittelten aktuellen Temperatur in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle eine voraussichtliche Zeitdauer bis zum Erreichen des vorgegebenen kritischen Temperaturgrenzwerts bestimmt wird und mit dem vorgegebenen Zeitdauer-Grenzwert verglichen wird, wobei die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, wenn zumindest die Bedingung erfüllt ist, dass die bestimmte voraussichtliche Zeitdauer den Zeitdauer-Grenzwert unterschreitet. Auf Basis der aktuellen Temperatur sowie des aktuellen Temperaturgradienten lässt sich also zum Beispiel durch Extrapolation bestimmen, wann ein vorgegebener kritischer Temperaturgrenzwert voraussichtlich erreicht wird. Ist diese so extrapolierte Zeitdauer dann kürzer als eine vorgegebene Zeitdauer, die durch den Zeitdauer-Grenzwert beschrieben wird, so kann die bevorstehende Überhitzung als detektiert gelten. Dies hat den großen Vorteil, dass so eine Mindestzeitdauer, die zum Beispiel dem Fahrer zwischen dem Ausgeben einer Warnung und dem Abschalten des Batteriesystems verbleiben soll, um zum Beispiel das Kraftfahrzeug sicher abzustellen und/oder dieses verlassen zu können, als dieser Zeitdauer-Grenzwert explizit vorgegeben werden kann. Als ein solcher Zeitdauer-Grenzwert wird vorzugsweise eine Zeitdauer im einstelligen Minutenbereich, zum Beispiel zwischen drei und sechs Minuten, beispielsweise fünf Minuten, vorgegeben. Wird also auf Basis der aktuell erfassten Temperatur und des aktuell ermittelten Temperaturgradienten bestimmt, dass voraussichtlich in weniger als diesen vorgegebenen fünf Minuten der kritische Temperaturgrenzwert erreicht sein wird, dann kann sofort eine entsprechende Warnung an den Fahrer ausgegeben werden, sodass dieser frühzeitig, insbesondere zirka diese fünf Minuten, vor einem möglichen Eintreten einer Gefährdung, zum Beispiel bedingt durch die Überhitzung des Batteriesystems, gewarnt werden kann. Die Extrapolation zur Bestimmung dieser Restzeit bis zum Erreichen der vorgegebenen kritischen Temperatur muss dabei nicht linear sein, sondern kann zum Beispiel auch nicht-linear, zum Beispiel exponentiell angenommen werden. Für eine möglichst genaue Extrapolation kann bei dieser zum Beispiel der Temperaturverlauf, sowie auch der zeitliche Temperaturgradientenverlauf, über mehrere vorhergehende Zeitschritte basierend auf in diesen mehreren vorhergehenden Zeitschritten erfassten Temperaturwerte und/oder zeitlichen Temperaturgradienten berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann bei der Extrapolation auch eine zeitliche Änderung des zeitlichen Temperaturgradienten berücksichtigt werden.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird es ermöglicht, entsprechende Maßnahmen, vor allem das Ausgeben einer Warnmeldung, gezielt vor einem vorbestimmten Zeitpunkt einzuleiten, der eine ganz definierte Zeitdauer vor dem Zeitpunkt liegt, zu welchem das Überschreiten der kritischen Temperatur voraussichtlich stattfindet. Dies ist besonders dann von großem Vorteil, wenn sich die Ausbreitung der Überhitzung durch diverse Gegenmaßnahmen, wie das Reduzieren der Leistung, nicht mehr aufhalten lässt, ohne das Batteriesystem abzuschalten, oder vielleicht sogar auch dann nicht mehr aufhalten lässt. Denn gerade in einer solchen Situation wird es einem Fahrer ermöglicht, durch das rechtzeitige Ausgeben einer Warnmeldung das Kraftfahrzeug noch sicher abzustellen und das Kraftfahrzeug sicher zu verlassen.
Wie bereits oben erwähnt, ist es vorteilhaft, die genannten Größen, wie zum Beispiel die absolute Temperatur, den Temperaturgradienten sowie auch die Einzelzellspannung, nicht nur an einer gegebenen Stelle beziehungsweise für eine einzelne Batteriezelle zu ermitteln und zur Detektion der bevorstehenden Überhitzung heranzuziehen, sondern diese Größen zum Beispiel an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Batterie und/oder für mehrere oder alle der Batteriezellen der Batterie zu ermitteln und auszuwerten. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn als die mindestens eine erste Größe mehrere zeitliche Temperaturgradienten auf Basis mehrerer jeweiliger Temperaturwerte für unterschiedliche Positionen in vorbestimmter Nähe zur zumindest einen Batteriezelle ermittelt werden und ein jeweiliger der zeitlichen Temperaturgradienten als mittelwertbereinigter Temperaturgradient berechnet wird. Dieser mittelwertbereinigte Temperaturgradient kann dann jeweils entweder mit einem vorgegebenen Gradientengrenzwert verglichen werden und/oder aber mit dem Mittelwert verglichen werden oder einem Gradientengrenzwert, der in Abhängigkeit vom Mittelwert festgelegt wird, verglichen werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, lokale Temperaturanomalien besonders zuverlässig zu detektieren. Wie bereits oben beschrieben, äußert sich der Beginn einer Ausbreitung einer Überhitzung innerhalb der Batterie typischerweise lokal und kann damit besonders zuverlässig und frühzeitig auf Basis einer solchen lokalen Betrachtung des Temperaturgradienten detektiert werden, das heißt auf Basis der Betrachtung eines Temperaturgradienten im Vergleich zu den übrigen ermittelten Temperaturgradienten, und dies für einen jeweiligen Temperaturgradienten. Dies kann auf besonders einfache Weise durch die Betrachtung des beschriebenen mittelwertbereinigten Temperaturgradienten erfolgen. Ein solcher mittelwertbereinigter Temperaturgradient stellt dabei insbesondere die Differenz des betreffenden an einer Position ermittelten Temperaturgradienten und des Mittelwerts dar, welcher aus einer Mittelung aller ermittelten zeitlichen Temperaturgradienten berechnet wurde. Globale Temperaturschwankungen, die zum Beispiel durch eine abrupte Leistungsanforderung doch mitunter sehr groß ausfallen können, schlagen sich damit in den jeweiligen Temperaturgradienten in näherungsweise gleicher Weise nieder, und somit auch im entsprechenden Mittelwert. Solche Temperaturschwankungen führen dann vorteilhafterweise nicht fälschlicherweise zu einer frühzeitigen Detektion einer bevorstehenden Überhitzung. Durch diese Maßnahme lassen sich also vorteilhafterweise Fehlauslösungen reduzieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als die mindestens eine erste Größe mehrere jeweilige Spannungen für jeweils eine von mehreren Batteriezellen der Batterie ermittelt, und mehrere zeitliche Temperaturgradienten auf Basis mehrerer jeweiliger Temperaturwerte für unterschiedliche Positionen in vorbestimmter Nähe zur zumindest einen Batteriezelle, wobei überprüft wird, ob zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

- Mindestens eine von den mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerten für die unterschiedlichen Positionen überschreitet einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert;
- mindestens ein Temperaturgradient von den mehreren Temperaturgradienten überschreitet einen vorgegebenen Gradientengrenzwert;
- mindestens eine ermittelte Zeitdauer von mehreren auf Basis der jeweiligen Temperaturgradienten ermittelten voraussichtlichen Zeitdauern bis zum Erreichen einer vorgegebenen kritischen Temperatur, insbesondere der oben beschriebenen vorgegebenen kritischen Grenztemperatur, unterschreitet einen vorgegebenen Zeitdauer-Grenzwert;
- mindestens eine der mehreren aktuellen Spannungen erreicht einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert
- mindestens eine von mehreren berechneten Temperaturdifferenzen aus einem jeweiligen der mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerte und einem Mittelwert aus diesen mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerten überschreitet einen vorgegebenen Temperaturdifferenz-Grenzwert.

Weiterhin wird die bevorstehende Überhitzung detektiert, falls zumindest eine dieser Bedingungen erfüllt ist.
Damit kann vorteilhafterweise eine bevorstehende Überhitzung innerhalb der Batterie auf Basis von vier unterschiedlichen Kriterien erfasst werden, wobei diese bevorstehende Erhitzung genau dann als detektiert gilt, wenn zumindest eine dieser Kriterien erfüllt ist. Alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, dass mehrere dieser Kriterien beziehungsweise Bedingungen erfüllt sein müssen, damit eine bevorstehende Überhitzung als detektiert gilt. Die Betrachtung all dieser Kriterien ermöglicht eine besonders zuverlässige und umfassende und vor allem frühzeitige Detektion einer bevorstehenden möglichen Überhitzung.
Zusätzlich zu den zuvor bereits erläuterten Bedingungen, insbesondere an die Zellspannung und/oder den zeitlichen Temperaturgradienten, kann es also auch eine weitere Bedingung darstellen, dass die Differenz zwischen mindestens einer von den mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerten und dem Mittelwert dieser mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerte einen vorbestimmten vorgegebenen Temperaturgrenzwert überschreitet. Hierdurch lassen sich besonders frühzeitig auch lokale Temperaturanomalien detektieren, selbst wenn die absolute Temperatur an einer Position dieser Anomalie noch relativ gering ist, aber dennoch deutlich höher als der Temperaturmittelwert.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Detektionseinrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle einer Batterie, wobei die Detektionseinrichtung eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, die bevorstehende Überhitzung in Abhängigkeit von mindestens einer ermittelten, die zumindest eine Batteriezelle betreffenden ersten Größe zu detektieren. Dabei stellt die mindestens eine erste Größe einen zeitlichen Temperaturgradienten einer in einer vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle erfassten Temperatur und/oder eine Spannung der zumindest einen Batteriezelle dar.
Weiterhin kann die Detektionseinrichtung zur Erfassung der Spannung der zumindest einen Batteriezelle und/oder zur Erfassung der Temperatur zur Ermittlung des zeitlichen Temperaturgradienten zumindest einen Sensor, zum Beispiel einen Spannungssensor und/oder Temperatursensor, aufweisen. Vorzugsweise umfasst die Detektionseinrichtung mehrere solcher Sensoren, insbesondere mehrere Temperatursensoren und/oder Spannungssensoren. Die Spannungssensoren können beispielsweise zur Detektion der jeweiligen Batterieeinzelzellspannungen ausgelegt sein, das heißt beispielsweise kann einer jeweiligen von mehreren Batteriezellen der Batterie auch ein jeweiliger Spannungssensor zugeordnet sein, der die betreffende Zellspannung der zugeordneten Batteriezelle wiederholt erfasst und dann der Steuereinheit zur weiteren Auswertung bereitstellt. Entsprechend kann die Batterie auch mehrere räumlich verteilte Temperatursensoren aufweisen, die wiederholt entsprechende Temperaturwerte an den betreffenden Positionen erfassen und dann der Steuereinheit zur weiteren Auswertung bereitstellen. Auf Basis der Temperaturwerte kann die Steuereinheit dann den entsprechenden Temperaturgradienten wiederholt ermitteln und überwachen beziehungsweise zur Detektion einer bevorstehenden Überhitzung heranziehen.
Im Übrigen gelten auch die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen genannten Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
Des Weiteren soll auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, mit einer solchen erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung oder mit einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung oder mit einer ihrer Ausgestaltungen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einer Detektionseinrichtung zur Detektion einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle der Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10, insbesondere einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, mit einer Detektionseinrichtung 12 zur Detektion einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle 14 der Batterie 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 10 kann dabei insbesondere mehrere hier nicht explizit dargestellte Batteriemodule umfassen, welche wiederum mehrere Batteriezellen 14 aufweisen können. Im vorliegenden Beispiel sind nur einige Batteriezellen 14 dargestellt. Grundsätzlich können diese Batteriezellen 14 in einer beliebigen Serien- und/oder Parallelschaltung zueinander angeordnet sein. Weiterhin weist die Batterie 10, insbesondere die Detektionseinrichtung 12, auch mehrere Sensoren auf. Hierzu zählen in diesem Beispiel mehrere Temperatursensoren 16, die die Temperatur Ti an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Batterie 10, insbesondere in jeweils vorbestimmter Nähe zu den betreffenden Batteriezellen 14, erfassen, insbesondere fortwährend, zum Beispiel wiederholt in vorgebbaren Messzeitintervallen oder kontinuierlich. Dabei muss die Anzahl an Temperatursensoren 16 nicht notwendigerweise mit der Anzahl an Batteriezellen 14 übereinstimmen. Insbesondere können sowohl mehr als auch weniger Temperatursensoren 16 als Batteriezellen 14 vorgesehen sein. Weiterhin weist die Detektionseinrichtung 12 auch mehrere Spannungssensoren 18 auf. Hierbei ist ein jeweiliger Spannungssensor 18 einer jeweiligen Batteriezelle 14 zugeordnet und erfasst die jeweilige Einzelzellspannung Ui der betreffenden, zugeordneten Batteriezelle 14, insbesondere ebenfalls fortwährend beziehungsweise wiederholt in vorbestimmten Messzeitintervallen. Die von den jeweiligen Sensoren 16, 18 erfassten Messwerte werden entsprechend wiederholt an eine Steuereinheit 20 der Detektionseinrichtung 12 übermittelt. Dieser wertet die übermittelten Messwerte aus und bestimmt auf Basis dieser Auswertung, ob eine mögliche Überhitzung zumindest einer der Batteriezellen 14 bevorsteht beziehungsweise ob eine Ausbreitung einer solch möglichen Überhitzung bereits begonnen hat. Diese Überprüfung beziehungsweise Detektion der bevorstehenden Überhitzung wird nachfolgend anhand von 2 näher erläutert. Stellt die Steuereinheit 20 entsprechend fest, dass eine Überhitzung zumindest einer der Batteriezellen 14 bevorsteht, so kann die Steuereinheit 20 weitere nachfolgend ebenfalls detaillierter beschriebene Maßnahmen auslösen. Eine dieser Maßnahmen stellt beispielsweise das Abschalten des Batteriesystems 10 dar, beziehungsweise das Abkoppeln der Batterie 10 vom restlichen Bordnetz des Kraftfahrzeugs, was durch Öffnen der Batteriehauptschütze 22 erfolgen kann. Diese Hauptschütze 22 können entsprechend ebenfalls durch die Steuereinheit 20 als solche Maßnahme auf die Detektion einer bevorstehenden Überhitzung hin angesteuert und entsprechend geöffnet werden. Vorzugsweise erfolgt jedoch vor diesem Abschalten des Batteriesystems eine rechtzeitige Warnung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs, sodass dieser das Kraftfahrzeug beispielsweise zuvor noch rechtzeitig zum Stillstand an einer solchen Randposition bringen kann. Dies erfordert jedoch eine möglichst frühzeitige Detektion einer bevorstehenden Überhitzung, wie dies durch die Erfindung und ihre Ausgestaltungen vorteilhafterweise ermöglicht wird und nun anhand von 2 detaillierter beschrieben wird.
2 zeigt dabei ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Detektion einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer der Batteriezellen 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist insbesondere durch die Detektionseinrichtung 12, insbesondere durch die Steuereinheit 20 der Detektionseinrichtung 12, ausführbar.
Das Verfahren beginnt dabei in Schritt S10, in welchem die aktuellen Sensormesswerte, nämlich die erfassten Temperaturen Ti, sowie die aktuellen Einzelzellspannungen Ui an der Steuereinheit 20 bereitgestellt werden. Auf Basis dieser bereitgestellten Messgrößen lassen sich nun vorteilhafterweise in Schritt S12 noch weitere Überwachungsgrößen ableiten beziehungsweise bestimmen. Eine besonders vorteilhafte dieser Überwachungsgrößen stellt dabei der Temperaturgradient (ΔT/Δt)i dar. Dieser repräsentiert insbesondere die Änderung der Temperatur ΔT in einem gegebenen Zeitintervall Δt, wie zum Beispiel das Zeitintervall Δt zwischen zwei Messschritten, zu welchen die Temperatur Ti von einem jeweiligen Temperatursensor 16 erfasst wird. Um den Temperaturgradienten (ΔT/Δt)i zu bestimmen, müssen zumindest zwei zeitlich nacheinander erfasste Temperaturwerte Ti für eine betreffende Position vorliegen. Da die Temperaturwerte Ti von einem jeweiligen Temperatursensor 16, wie zu 1 bereits beschrieben, fortwährend beziehungsweise wiederholt erfasst werden, kann der Temperaturgradient (ΔT/Δt)i auf einfache Weise unter Berücksichtigung zum Beispiel des zeitlich unmittelbar vorhergehend erfassten Temperaturwerts Ti ermittelt werden.
Eine weitere besonders vorteilhafte Überwachungsgröße stellt zudem die prognostizierte Zeitdauer ΔZi bis zum Erreichen einer vorgegebenen kritischen Temperatur GT2, wie dies später zu Schritt S16 näher erläutert wird, dar. Diese prognostizierte Zeitdauer ΔZi kann dabei ebenfalls auf Basis eines ermittelten aktuellen Temperaturwerts Ti sowie des für diese Position zugehörigen Temperaturgradienten (ΔT/Δt)i ermittelt werden. Liegt dieser kritische Temperaturgrenzwert GT2 zum Beispiel bei 120 Grad Celsius und wird an einer bestimmten Position eine aktuelle Temperatur Ti von 80 Grad Celsius gemessen, sowie ein aktueller positiver Temperaturgradient (ΔT/Δt)i für dieselbe Position von zum Beispiel 10 Grad Celsius pro Minute bestimmt, so kann unter Annahme eines linearen weiteren Temperaturanstiegs gemäß dem bestimmten Temperaturgradienten (ΔT/Δt)i die genannte Zeitdauer ΔZi als vier Minuten bestimmt werden, insbesondere gemäß der Formel: $(GT2-Ti) / (Δ T/ Δ t) i= (120^{\circ} {C-80}^{\circ} C) / (10^{\circ} C/1 min) = 4 min .$
Auf diese Weise kann beispielsweise abgeschätzt werden, wie lange es noch dauert, bis eine vorgegebene kritische Temperatur GT2 erreicht ist.
Eine weitere geeignete Überwachungsgröße stellt zudem die Differenz zwischen einem aktuellen Temperaturwert Ti und dem Mittelwert T, der aus allen zu einem jeweiligen Zeitschritt aktuell erfassten Temperaturwerte Ti gebildet ist, dar. Auf Basis der in Schritt S10 direkt erfassten Messgrößen Ti, Ui, sowie auf Basis der in Schritt S12 daraus abgeleiteten Größen lässt sich nun besonders vorteilhaft eine frühzeitige Detektion einer möglichen Überhitzung zumindest einer der Batteriezellen 14 detektieren. Hierzu können die betreffenden Werte mit entsprechenden Grenzwerten verglichen werden, wie dies nachfolgend näher beschrieben ist.
Beispielsweise kann zunächst in Schritt S14 überprüft werden, ob die aktuelle Temperatur Ti größer ist als ein vorbestimmter erster Temperaturgrenzwert GT1. Diese Überprüfung kann insbesondere für alle der jeweiligen erfassten Temperaturwerte Ti erfolgen. Liegt zumindest einer dieser Temperaturwerte Ti über dem besagten ersten Grenzwert GT1, so kann weiterhin in Schritt S16 überprüft werden, ob der betreffende beziehungsweise die betreffenden Temperaturwerte Ti auch oberhalb von einem zweiten vorbestimmten Temperaturgrenzwert GT2, dem kritischen Temperaturgrenzwert, wie zum Beispiel 120 Grad oder 130 Grad Celsius, liegen. Dieser zweite Temperaturgrenzwert GT2 ist dabei größer als der zuvor genannte erste Temperaturgrenzwert GT1. Liegt zumindest eine der aktuell erfassten Temperaturen Ti über diesem zweiten Temperaturgrenzwert GT2, so kann daraufhin unmittelbar in Schritt S18 eine entsprechende Maßnahme, insbesondere ein Abschalten des Batteriesystems, zum Beispiel durch Öffnen der Hauptschütze 22, erfolgen. Dies stellt allerdings die letztmögliche Maßnahme zum Verhindern einer überkritischen Situation, insbesondere eines Batteriebrands, dar. Nach Möglichkeit sollten jedoch weitere Maßnahmen bereits deutlich frühzeitiger eingeleitet werden, damit es erst gar nicht zu einer solchen Abschaltung kommen muss oder zumindest eine rechtzeitige Warnung an den Fahrer ausgegeben werden kann. Dies lässt sich nun wie folgt bewerkstelligen:

Üblicherweise muss die Temperatur Ti an der betreffenden Batteriezelle 14 beziehungsweise an einer Position in vorbestimmter Nähe zu einer solchen Batteriezelle 14 zunächst von einem deutlich niedrigeren Wert, insbesondere unterhalb des ersten Grenzwerts GT1, allmählich ansteigen, damit überhaupt eine Kettenreaktion ausgelöst werden kann. Das heißt, vor Beginn einer solchen Ausbreitung einer Überhitzung liegen die erfassten Temperaturwerte Ti noch unterhalb des ersten Grenzwerts GT1. Entsprechend kann in Schritt S14 dann zunächst zu Schritt S20 übergegangen werden, in welchem zunächst überprüft wird, ob die für die jeweiligen Batteriezellen 14 zu einem jeweiligen Zeitschritt erfassten Spannungswerte Ui entweder einen vorbestimmten ersten Grenzwert GU1 überschreiten, oder zumindest eine der erfassten Spannungen Ui, oder ob zumindest eine der erfassten Spannungswerte Ui einen vorbestimmten zweiten Spannungsgrenzwert GU2 unterschreiten. Auf diese Weise lassen sich Spannungsanomalien detektieren, welche ebenfalls als Hinweis auf eine bevorstehende Überhitzung verwendet werden können. Wird beispielsweise eine solche Über- oder Unterspannung in Schritt S20 detektiert, zumindest für eine der genannten Batteriezellen 14, so kann eine bevorstehende Überhitzung als detektiert gelten und entsprechend in Schritt S22 eine entsprechend frühzeitige Maßnahme eingeleitet werden, wie zum Beispiel eine Warnung an den Fahrer ausgegeben werden und/oder zum Beispiel die Leistung des Kraftfahrzeugs begrenzt werden. Dann kann die Überwachung von vorne in Schritt S10 für den nächsten Zeitschritt beginnen. Wird jedoch in Schritt S20 keine Spannungsanomalie festgestellt, so kann weiterhin in Schritt S24 überprüft werden, ob zumindest einer der ermittelten Temperaturgradienten (ΔT/Δt)i einen vorbestimmten Gradientengrenzwert GG überschreitet. Ist dies der Fall, so kann ebenfalls wieder zu Schritt S22 übergegangen werden und eine frühzeitige Maßnahme eingeleitet werden. Andernfalls kann in Schritt S26 weiterhin überprüft werden, ob zumindest eine der ermittelten Temperaturdifferenzen zwischen einer jeweiligen aktuellen Temperatur Ti und dem Temperaturmittelwert T größer ist als ein bestimmter dritter Temperaturgrenzwert GT3.
Diese dritte Temperaturgrenzwert GT3 ist dabei ebenfalls kleiner als der zuvor beschriebene zweite Temperaturgrenzwert GT2 und insbesondere auch kleiner als der genannte erste Temperaturgrenzwert GT1. Ist dies der Fall, so wird wieder zu Schritt S22 übergegangen und andernfalls wird in Schritt S28 überprüft, ob eine jeweilige prognostizierte Zeitdauer ΔZi kleiner ist als ein vorbestimmter Zeitdauer-Grenzwert At_krit. Auch eine solche prognostizierte Zeitdauer ΔZi kann für die jeweiligen Positionen, an welchen die Temperatursensoren 16 angeordnet sind, separat bestimmt werden und entsprechend ein solcher Vergleich, wie im Schritt S28 durchgeführt, für eine jeweilige so prognostizierte Zeitdauer ΔZi durchgeführt werden. Ist nunmehr zumindest eine der so bestimmten prognostizierten Zeitdauern kleiner als der genannte Zeitdauer-Grenzwert Δt_krit, so kann wiederum in Schritt S22 eine frühzeitige Maßnahme eingeleitet werden. Andernfalls beginnt das Verfahren in Schritt S10 für den nächsten Zeitschritt wieder von vorne.

Somit lässt sich insgesamt auf Basis vielzähliger vorteilhafter Überwachungsgrößen eine frühzeitige Erkennung einer bevorstehenden Überhitzung bereitstellen. Dies ermöglicht es, besonders frühzeitig entsprechende Maßnahmen einzuleiten, insbesondere bevor eine vollständige Abschaltung des Hochvoltsystems beziehungsweise der Hochvolt-Batterie 10 erfolgen muss. Hierdurch kann zum Beispiel der Fahrer des Kraftfahrzeugs auf eine solche mögliche bevorstehende Überhitzung besonders frühzeitig aufmerksam gemacht werden und entsprechend gewarnt werden, sodass dieser deutlich mehr Zeit hat, einen geeigneten Parkplatz oder eine andere Position aufzusuchen, an welcher das Kraftfahrzeug sicher abgestellt werden kann, bevor die Batterie 10 abgeschaltet wird und insbesondere bevor es aufgrund der weiteren Ausbreitung der Überhitzung zu schwerwiegenderen Folgen kommen kann. Auch kann somit der Fahrer rechtzeitig das Kraftfahrzeug verlassen, selbst wenn eine Überhitzung der Batterie 10 und schlimmere Folgen, wie zum Beispiel ein Batteriebrand, nicht mehr verhindert werden können. Aufgrund dieser vorteilhaften Überwachungsgrößen, insbesondere des Temperaturgradienten und/oder der zusätzlich betrachteten Einzelzellspannungen, lässt sich damit die Sicherheit deutlich erhöhen.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Erkennung des Beginns einer Ausbreitung einer Überhitzung in einer Hochvolt-Batterie bereitgestellt werden kann, durch welche aufgrund der Betrachtung, insbesondere der zusätzlichen Betrachtung des zeitlichen Temperaturgradienten und/oder der Einzelzellspannung, eine deutliche Erhöhung der Sicherheit ermöglicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010045514 B4 [0002]
DE 102012205396 A1 [0003]
DE 102017103730 A1 [0004]
DE 102017009131 A1 [0006]
EP 2736100 B1 [0007]
DE 102005058315 A1 [0007]
DE 102016222002 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle (14) einer Batterie (10), wobei die bevorstehende Überhitzung in Abhängigkeit von mindestens einer ermittelten, die zumindest eine Batteriezelle (14) betreffenden ersten Größe detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine erste Größe ein zeitlicher Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) einer in einer vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) erfassten Temperatur (Ti) und/oder eine Spannung (Ui) der zumindest einen Batteriezelle (14) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorstehende Überhitzung zusätzlich in Abhängigkeit der in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) erfassten Temperatur (Ti) als eine von der ersten Größe verschiedene, die zumindest eine Batteriezelle (14) betreffende zweite Größe (Ti) detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine erste Größe die Spannung (Ui) nur der einzelnen Batteriezelle (14) ermittelt wird und mit zumindest einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert (GU1, GU2) verglichen wird und wobei die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, wenn zumindest die Bedingung erfüllt ist, dass die ermittelte Spannung (Ui) den zumindest einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert (GU1, GU2) überschreitet und/oder unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine erste Größe der zeitliche Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) ermittelt wird und mit zumindest einem vorgegebenen Gradientengrenzwert (GG) verglichen wird und wobei die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, wenn zumindest die Bedingung erfüllt ist, dass der ermittelte Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) den zumindest einen vorgegebenen Gradientengrenzwert (GG) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Gradientengrenzwert (GG) in Abhängigkeit von der aktuellen in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) erfassten Temperatur (Ti) bestimmt und vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kritischer Temperaturgrenzwert (GT2) vorgegeben ist, und wobei ein Zeitdauer-Grenzwert (Δt_krit) vorgegeben ist, wobei in Abhängigkeit von dem ermittelten Temperaturgradienten ((ΔT/Δt)i) und der ermittelten aktuellen Temperatur (Ti) in der vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) eine voraussichtliche Zeitdauer (AZi) bis zum Erreichen des vorgegebenen kritischen Temperaturgrenzwerts (GT2) bestimmt wird und mit dem vorgegebenen Zeitdauer-Grenzwert (Δt_krit) verglichen wird, wobei die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, wenn zumindest die Bedingung erfüllt ist, dass die bestimmte voraussichtliche Zeitdauer (ΔZi) den Zeitdauer-Grenzwert (Δt_krit) unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine erste Größe mehrere zeitliche Temperaturgradienten ((ΔT/Δt)i) auf Basis mehrerer jeweiliger Temperaturwerte (Ti) für unterschiedliche Positionen in vorbestimmter Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) ermittelt werden und ein jeweiliger der zeitlichen Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) als mittelwertbereinigter Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die mindestens eine erste Größe mehrere jeweilige Spannungen (Ui) für jeweils eine von mehreren Batteriezellen (14) der Batterie (10) ermittelt werden und mehrere zeitliche Temperaturgradienten ((ΔT/Δt)i) auf Basis mehrerer jeweiliger Temperaturwerte (Ti) für unterschiedliche Positionen in vorbestimmter Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) ermittelt werden, wobei überprüft wird, ob zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist - mindestens eine von den mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerten (Ti) für die unterschiedlichen Positionen überschreitet einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert (GT1, GT2); - mindestens ein Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) von den mehreren Temperaturgradienten ((ΔT/Δt)i) überschreitet einen vorgegebenen Gradientengrenzwert (GG); - mindestens eine ermittelte Zeitdauer (ΔZi) von mehreren auf Basis der jeweiligen Temperaturgradienten ((ΔT/Δt)i) ermittelten voraussichtlichen Zeitdauern (ΔZi) bis zum Erreichen einer vorgegebenen kritischen Temperatur (Ti) unterschreitet einen vorgegebenen Zeitdauer-Grenzwert (Δt_krit); - mindestens eine der mehreren aktuellen Spannungen (Ui) erreicht einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert (GU1, GU2); - mindestens eine von mehreren berechneten Temperaturdifferenzen (Ti-T) aus einem jeweiligen der mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerte (Ti) und einem Mittelwert (T) aus diesen mehreren erfassten aktuellen Temperaturwerten (Ti) überschreitet einen vorgegebenen Temperaturdifferenz-Grenzwert (GT3); und die bevorstehende Überhitzung detektiert wird, falls zumindest eine dieser Bedingungen erfüllt ist.
Detektionseinrichtung (12) für ein Kraftfahrzeug zum Detektieren einer bevorstehenden Überhitzung zumindest einer Batteriezelle (14) einer Batterie (10), wobei die Detektionseinrichtung (12) eine Steuereinheit (20) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die bevorstehende Überhitzung in Abhängigkeit von mindestens einer ermittelten, die zumindest eine Batteriezelle (14) betreffenden ersten Größe zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Größe einen zeitlicher Temperaturgradient ((ΔT/Δt)i) einer in einer vorbestimmten Nähe zur zumindest einen Batteriezelle (14) erfassten Temperatur (Ti) und/oder eine Spannung (Ui) der zumindest einen Batteriezelle (14) darstellt.
Kraftfahrzeug mit einer Detektionseinrichtung (12) nach Anspruch 9.